"Создание функционального биоподобного элемента памяти на основе нитевидного легированного кристалла кремния"

Номер проекта:  № 15-12-10038

Руководитель: Гойхман А. Ю.

Сроки исполнения: 2015-2016 гг.

Развитие наноэлектроники обусловлено динамичным ростом информационных технологий предъявляющих все большие требования к емкости и быстродействию разрабатываемых устройств. Существующие материалы и технологии в полупроводниковой индустрии достигли своих физических пределов, поэтому требуется разработка новой концепции устройств и комбинации материалов для увеличения производительности. Проблемой воссоздания нейронной сети человеческого мозга в неорганическом исполнении для конструирования совершенных компьютерных систем нового поколения занимаются многие научные группы по всему миру.

Активно осуществляются разработки сразу в нескольких направлениях: создание структур, повторяющих свойства нейрона и его дендритных отростков, разработка канала передачи сигналов(аксона) и осуществление соединения со следующим нейроном (синапс), а также большой кластер занимает создание нейроморфной аппаратно-вычислительной архитектуры, которая позволит на многие годы вперед удовлетворить потребности человечества в вычислительных мощностях и объемах хранения информации. Материаловедческую основу нейроморфных систем составляет мемристор – двухполюсный элемент электрической цепи, введеный в 1971 году как 4 базовый элемент наряду с тремя классическими: резистор, конденсатор, катушка индуктивности [1].

В результате экспериментальных исследований последних лет были созданы прототипы мемрстора, которые, однако, не вполне удовлетворяют канонической модели мемристора, демонстрируя усечённую петлю гистерезиса. В связи с этим, самим автором модели Л. Чуа был в 2012 году был предложен следующий ряд допущений, при которых разрабатываемые элементы можно отнести к мемристорам [2]:

1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) мемристора должна обладать формой фигуры Лиссажу в плоскости напряжение-ток – это урезанная петля гистерезиса, возникающая под действием периодического (по времени) напряжения или тока.
2. Площадь каждого лепестка петли гистерезиса уменьшается при увеличении частоты ω вынуждающего сигнала.
3. При стремлении частоты ω к бесконечности, ущемленная петля гистерезиса вырождается в прямую линию через начало координат, наклон которой зависит от амплитуды и формы вынуждающего сигнала.

В конечном итоге перед научным сообществом стоит задача, ключевым фактором которой является обучаемость искусственных нейронных сетей с высокой плотностью хранения информации, а значит, создания более широкодиапазонного (в пределе не ограниченного) по «тактовой» частоте работы мемристора.  В рамках обозначенной глобальной проблемы авторы проекта ставят перед собой цель – разработать и создать не отдельный прототип мемристора, а прототип нейронной сети – кластера мемристоров, электрические характеристики каждого из которых удовлетворяют и превосходят пп. 1-3 выше (по возможности работы на более низких «тактовых» частотах и большим быстродействием).

Литература:

1. L. Chua, Memristor - the missing circuit element, IEEE Transactions on circuit theory, vol. CT-18, #5, p.p. 507-519 (1971);
2. L. Chua, Memristors: past, present, future, http://sti.epfl.ch/files/content/sites/sti/files/shared/sel/pdf/Abstract_Prof_Chua.pdf, (2012).

Цель проекта

Перед данным проектом стоит задача по разработке, формированию и исследованию новой функциональной электронной неорганической среды, проект направлен на разработку технологии создания в едином ростовом цикле 3D-электронных структур на основе самоорганизующихся нановискеров Si:Me(Au,Ag), изолированных друг от друга защитным слоем диэлектрика, и функционирующих индивидуально как мемристор с существенно расширенным диапазоном «тактовых» частот работы, по сравнению с лучшими мировыми образцами на сегодняшний день, за счет предложенного подхода вертикально-ориентированной архитектуры с большим аспектным соотношением (до 1:10 и более).

Разработка

Основной подход к формированию кремниевых нановискеров (НВ) в проекте базируется на концепции кристаллического роста из паровой фазы «пар -жидкость - кристалл» (ПЖК). Для роста Si-HB кремниевую подложку активируют наночастицами катализатора, чаще всего золота, а затем различными методами осаждают Si. Использование золота обусловлено его способностью образовывать эвтектические расплавы с низкой температурой плавления (Teut (Si–Au) = 363◦ C). Осаждаемый материал - кремний, или растворяется в жидкой капле, а затем кристаллизуется на границе жидкость–кристалл, при этом капля приподнимается на растущем основании.

Формирование изолирующих покрытий на основе оксида алюминия будет проводится методом атомного послойного осаждения, применяемым in situ с процессом формирования комплекса нановискеров Si:Me(Ag,Au).

Результаты

В результате реализации проекта будет получена технология роста упорядоченных кластеров на основе нановискеров Si:Me(Au,Ag), изолированных друг от друга защитным слоем диэлектрика и функционирующих индивидуально как мемристор с существенно расширенным диапазоном «тактовых» частот работы, по сравнению с лучшими мировыми образцами на сегодняшний день, за счет предложенной вертикально-ориентированной архитектуры. Результатом проекта должен стать созданный прототип нейроморфной сети с КМОП-транзисторами - нейронами и кластером мемристоров - синапсов в кросс-бар геометрии (см. рис. 1 приложения 1 к части 4 "Содержание проекта").

Запланированные результаты являются крайне перспективными для приложений электроники, имеют важное значение для решения задач по созданию искусственного интеллекта и соответствуют мировому уровню исследований в тематике проекта. На сегодняшний день в мире не существует комплексного решения задачи создания мемристивных элементов работающих на низких тактовых частотах с большим быстродействием.

Публикации проекта